Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 [ 26 ] 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148

вают аналогичные опыты, морозное пучение дисперсных глин продолжается и при температуре -10" и ниже).

Рёзультг более детального опыта по исследованию морозного пучения глины (образцы высотой 95 мм, с начальной влажностью 15048% при промораживании сверху п подтоке воды снизу) приведены на рис. 35*. Согласно кривой (рис. 35, а) пучение глины наблюдается все время (даже через 8 от начала замораживания при температуре образца грунта от -О до-ЮС), и лишь спустя 25 Чу при промораживании образца грунта до -26° С пучения не ощущалось. Таким образом, в глинах нарастание сил пучения (при стеснении или невозможности увеличения их объема при промерза-нии> может иметь место (что подтверждается также и полевыми наблюдениями) во все время их промораживания и дальнейшего охлаждения, обусловливающего замерзание все новых порций пленочной воды.

Очень интересная кривая морозного пучения получена для пылеватого грунта с подтоком воды (см. рис. 34, кривая 4), согласно которой вначале (так же, как и у глин) наблюдается некоторое сжатие, затем весьма интенсивное пучение (которое может достигать 10% и более), почти прямо пропорциональное времени, а затем (после полного замерзания образца грунта), так же, как и у песка (кривая 5), уменьшение объема вследствие температурного сжатия. Как показывают наблюдения, пылеватые суглинки являются наиболее пучинистыми грунтами, так как они достаточно водопроницаемы, дисперсны и содержат коллоиды.

Развивающиеся при промерзании грунтов вследствие действия ряда внешних и внутренних причин силы морозного пучения могут иметь различную величину и направление. В настоящее время в зависимости от действия сил морозного пучения грунтов на сооружения различают два основных их вида: нормальные силы морозного пучения и касательные силы морозного пучения.

Нормальные силы морозного пучения грунтов действуют по нормалям к поверхностям сооружения, ограничивающих, сопротивляющихся или не допускающих увеличения объема грунтов при их промерзании. Наиболее типичной их сферой действия будут подошвы фундаментов сооружений, где при определенных условиях могут возникать вертикальные нормальные силы, и боковые грани фундаментов, где могут обнаруживаться действия горизонтальных нормальных сил морозного пучения грунтов.

На величину нормальных сил морозного пучения грунтов оказывает влияние ряд факторов: свойства промерзающих грунтов (их дисперсность, адсорбционная способность, уровень свободной энергии поверхности частиц и пр.), сжимаемость подстилающих слоев грунта, внешнее давление на грунт и жесткость (деформируемость) строительных конструкций, воспринимающих пучение.

* Н. А. Цытович и М. И. С у м г и н. Основания механики мерзлых грунтов, стр. 99. Изд-во АН СССР. 1937.

Порядок максимальной величины нормальных сил морозного пучения можно оценить исходя из величин давлений, которые развивают кристаллы льда при стесненном замерзании воды. Как известно, максимальное давление будет развиваться лишь в условиях полной невозможности расширения воды при ее замерзании. Это давление, по данным физики, при температуре 6=-22°С измеряется огромной величиной, порядка 2115 кГ/см. При температуре же выше -22° С давления будут значительно меньше.

Для оценки величин давления, которые могут возникать при замерзании воды без возможности ее объемного расширения при температурах выше -22° С, следуя примеру X. Р. Хакимова * и интересному предложению Ю. Г. Куликова и Н. А. Перетрухина воспользуемся эмпирической зависимостью Бриджмена -Тамма-на *** для температуры таяния (плавления) льда в зависимости от величины внешнего давления, а именно:

Д;7= 1 + 1276- 1,519 62, (11.15)

где Ар - давление, кГ/см; 0 - абсолютное значение величины отрицательной температуры, °С.

При нормальном атмосферном давлении (1 атм или 1 кГ/см) лед тает, как известно, при 0 = 0° С, что вытекает и из уравнения (11.15). При более низких температурах потребуется большее давление, при достижении которого лед будет таять при данной отрицательной температуре. Если давление будет больше, чем по формуле Бриджмена - Таммана, то вода при данной отрицательной температуре ( -0°С) не будет замерзать.

Простой расчет по формуле (11.15) дает:

При е= -0,01° с Ар = 2,27 кГ/см » е= -0,Г с А/7= 13,7 KFfcM

» е=-о,5°с р=тл кг/см

» 6=-2,0° с Ар=249 кГ/см2

» 9= -6,0° С А/? = 598 кГ/см и т, д.

Это будут максимальные давления, которые лед может развивать не оттаивая под действием внешнего давления в области отрицательных температур. Однако отмеченные давления смогут сформироваться лишь при замораживании воды в жестком закрытом со всех сторон сосуде. При замерзании же воды в грунтах фактическое давление, возникающее в них, будет меньше приведенных величин.

Как показывают расчеты (даже в условиях, благоприятных для развития нормальных сил пучения), если замерзание грунтов будет происходить при температуре, близкой к -0,01° С, что имеет место

* X. Р. Хакимов. Вопросы теории и практики искусственного замораживания грунтов. Изд-во АН СССР, 1957.

** Ю. Г. Куликов, Н. А. П е р е т р у X и н. Определение величины нормальных сил пучения. Труды ВНИИ транспортного строительства, вып. 62. Изд-во «Транспорт», 1967.

*** Б. П. В е й н б е р г. Лед. Гостехтеориздат, 1940.

в песчаных и вообще в крупнозернистых грунтах, то, учитывая величину атмосферного давления, уже при добавочном внешнем давлении на грунт, равнОМ примерно 1,27 кГ/см, теоретически не должно возникать нормальных сил морозного пучения, так как грунт не будет промерзать. Для других же грунтов (дисперсных глинистых), имеющих более низкую температуру замерзания поровой воды, давление растущих кристаллов льда (при благоприятных условиях) может достигать значительной величины - порядка нескольких десятков кГ/см.

Следует отметить, что предпосылки дальнейшего непосредственного использования формулы Бриджмена- Таммана были приняты не соответствующими рассматриваемой задаче *, а именно: сжимаемость грунтов определялась по компрессионной кривой, т. е. при постоянстве сжимающих напряжений по глубине (условия невозможности бокового расширения грунта), а распределение давлений от внешней нагрузки - с учетом уменьшения их по глубине (пространственная задача). Кроме того, определение мощности сжимаемой зоны (при несливающейся толще сезоннопро-мерзающих и вечномерзлых грунтов) производилось условно по приближенным рекомендациям СНиПа для случая действия местной нагрузки, согласно которым мощность сжимаемой зоны соответствует глубине, где внешнее сжимающее давление равно 0,2 от природного (бытового). Сделанные допущения произвольны и дают результаты определения нормальных сил морозного пучения явно преуменьшенные и противоречащие данным непосредственных опытов и наблюдений.

Однако внешнее давление, как показывают многочисленные наблюдения в натуре, действительно уменьшает силы морозного пучения грунтов, уравновешивая их частично или полностью в зависимости от свойств промерзающих грунтов и жесткости (податливости) конструкции, сопротивляющейся увеличению объема грунтов при промерзании.

Так как поставленная задача об определении нормальных сил морозного пучения в настоящее время в полном объеме не имеет аналитического решения, то перейдем к рассмотрению результатов, непосредственных опытов по определению величины нормальных сил морозного пучения грунтов на специальных установках.

Опытное определение нормальных сил морозного пучения является задачей в методическом отношении весьма и весьма сложной.

Попытки определить силы морозного пучения делались давно. Так, М. Я. Чернышев** уже в 1928 г. обратил внимание на выпучивание опор мостов и на основании натурных наблюдений впервые приближенно оценил суммарную силу выпучивания. Н. И. Быкоа

* См. сноску ** на стр. 84.

** М. Я. Чернышев. Деформации деревянных мостов от пучин мерзлого грунта. «Железнодорожное дело», 1928, № 1, 2.